電影《星際穿越》中有哪些科學上的錯誤?

其嚴謹程度和《2001漫遊太空》《超時空接觸》相比如何?


11.21:補充了飛船「對接」第一顆星球時的軌道能量問題。
腦洞了一下Ranger可能的推進方式
再來修改這個答案的時候,系裡的泰國小哥帶來了Kip Thorne的新書The Science of Interstellar,於是我毫不猶豫的霸佔了一下午的時間,基本通讀了所有關鍵部分,現在可以更好地回答這個問題了。
11.14:補充了潮汐鎖定的影響;Thorne關於旋轉黑洞的估算(Kerr黑洞)

自己偷懶來晚了,非常同意目前排名第一的答主關於「看科幻的正確方式就是為其洗地」的觀點,他的回答也涵蓋了本片的大多數爭議部分,不過我還是想把其中幾條進行擴充,方便想深入了解的讀者們。(介紹部分比較啰嗦,可以直接看黑體部分,結論直接看黑體+下劃線)
1,第一個星球的巨浪
我聽到的第一個關於這個巨浪的吐槽來自一位師妹「水那麼淺,哪來的那麼高的巨浪啊?」。這個問題很好回答,因為來自黑洞的潮汐力早就把這個星球表面的「水殼」拉長成一個橢球了:

這是地球潮汐成因的誇張圖示,圖中橢圓的尖端沒有朝向月球是為了說明潮汐加速效應,這裡按下不表。這個橢球的原因很簡單,點質量/球狀質量的引力按照平方反比率衰減,靠近黑洞的水受到的引力更大,為了平衡會被「拉」到離黑洞更近的位置。。。且慢!這麼一說,水被拉起之后里黑洞更近,受到的黑洞引力更大,同時離星球更遠,受到星球的引力更小,豈不是會被黑洞吸走?這讓我想起如果直升機在高空懸停12小時,會飛到美國嗎? - 胡曉的回答,因為大家忽略了星球繞黑洞運動時產生的離心力,這才是和黑洞引力平衡的力(從星球參考系看),wiki上有個很好的圖:

上半部分表示黑洞對星球的總引力,越到右側(離黑洞近的一側)越大,下半部分表示減去離心力後的潮汐力,最後潮汐力的分布是:

那麼想簡單估算一下潮汐的高度,只要知道地心和地表處的黑洞引力差就行了:
f=GM_{BH}(frac{1}{r^2}-frac{1}{(r+R_{earth})^2})simeq frac{2GM_{BH}}{r^3}R_{earth}
這裡實際是最大值,也就是星球表面位於離黑洞最近點和最遠點兩處的值,其他位置則隨著到地心連線到地心與黑洞連線的投影長度變化,這個力的力場和地球的引力場疊加,使得地球表面(近似球面)不再是等勢面。假如我們定義水面最低處(其實就是到地心連線同地心到黑洞連線垂直的那個大圓)為勢能0點,「潮汐力場」在潮汐最高處的地表位置的勢是:
U_f=int_{0}^{R_{earth}} frac{2GM_{BH}}{r^3}RdR=frac{GM_{BH}}{r^3}R^2_{earth}

如果潮汐高度為h,也就是上升h達到勢能0點,單位質量引力要消耗gh的功去抵消U_f,於是潮汐高度h是:
h=U_f/g=frac{GM_{BH}}{r^3g}R^2_{earth}=frac{M_{BH}}{M_{earth}}frac{R^4}{r^3}\
\
\
g=GM/R^2

假如地球需要1km的潮汐,那麼地球到太陽的距離需要差不多縮短到現在的1/20.這其實已經差不多在太陽表面了。
切換到影片里的黑洞,The Science of "Interstellar" Explained (Infographic)這個鏈接提到視界大小和地球軌道半徑差不多,假設是史瓦西黑洞的話(沒有自轉),這個黑洞質量應該是太陽的5000萬倍,「只」產生1km高的潮汐的話,地球到它中心的距離應該是20倍目前地球到太陽的距離,而這個距離還是比地球和黑洞之間的洛希極限(潮汐力=重力時地球到黑洞的距離,這個時候地球要是不夠結實就散架了,這裡是1.35AU左右,比視界半徑大一點而已)。
所以,結論是:產生1km的潮汐沒問題,星球也不會散架,但浪不會來的那麼突然,除非有特殊的地形制約(參見錢塘江入海口)。

補充
:評論中有人提到了潮汐鎖定,其實這一點反而可以更好地解釋這個巨浪。Kip Thorne在新書里也提到了。因為潮汐鎖定並不是完美的鎖定,即使是月球,也會在鎖定位置附近晃動,這種晃動貢獻了天平動(http://zh.wikipedia.org/zh-cn/天平動)的一部分。根據Thorne的估算,晃動的周期差不多是一小時,如果幅度足夠大的話,這意味著潮汐的頻率也會高很多,來勢完全可以更兇猛。
另外,即使是月球微弱的引潮力,都可以導致地球的固體部分發生形變,也就是固體潮(Earth tide),幅度可以達到幾十厘米。對於片中的星球Miller,黑洞的潮汐力帶來的很可能是大規模的地殼形變,強烈的海地地震會引起更具破壞力的海嘯。在地球上都能達到10m級高度的海嘯,在Miller上有更強烈的地震作動力,再加上黑洞潮汐力的加成,形成滔天巨浪也就不難理解了。

2.想產生1h=7年的效果,星球必須到離黑洞非常近的位置,而那麼近已經沒有穩定軌道了嗎?
引力產生的時間膨脹可以簡化為(無自轉黑洞):


t_0=t_f sqrt{1-r_{sch}/r}
r_sch代表黑洞的史瓦西半徑,所以要產生1h=7年的效果,時間需要膨脹6萬倍,所以上面的r~1.0000000001r_sch,基本就在視界表面了
不過因為星球本身也在相對黑叔叔所在空間站運動,所以還會有個狹義相對論的時間膨脹,假如空間站飛的很慢,這兩個效應疊加的時間膨脹是:
t_0=t_f sqrt{1-1.5r_{sch}/r}
這個式子來自wiki:Gravitational time dilation,由於本人也沒認真學過廣相,所以還望各位大牛驗證。
這樣一來,這個星球只需要呆在差不多1.5倍史瓦西半徑處就可以產生1h=7年的效果,依然在洛希極限之外,也不會被撕碎。
那麼這麼近會不會有穩定軌道呢?
Innermost Stable Circular Orbit,是只有廣義相對論才會出現的名詞,簡而言之就是距離視界比較近的時候引力已經和牛頓理論出現不少偏差,最終導致距離太近的軌道不穩定,但這個值和黑洞自轉有關,自轉越快(和公轉天體的公轉方向相同的話),這個穩定軌道的最小值就越小,差不多是這麼個關係:

http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/wegscheider/gebhardt_files/skripten/Lect06Kerrmetric.pdf
這裡用了自然單位制,M=GM/c^2,所以r=6M代表r=3r_sch,而黑洞自轉達到最大可能值(可以理解為黑洞表面速度達到光速)的80%,穩定軌道的最小值就可以在1.5個視界半徑以內,所以依然可能有穩定軌道。

補充:上面的計算有很多不嚴謹的地方,譬如用史瓦西黑洞(無自轉)去推斷片中的Kerr黑洞(自轉黑洞)的情形。Thorne在他書中給出的結果比我要極端,譬如為了達到1h=7年同時保證穩定軌道,黑洞自轉速率只能比理論上限慢一千億分之一!只是這樣一來黑洞從視覺上會有很大的不對稱性,為了不讓觀眾犯糊塗,影片中的黑洞圖像是基於60%最大自轉繪製的。


3.影片中的黑洞圖像非常好的表現了廣義相對論效應,但是對狹義相對論效應缺乏表現。
在另一篇回答如何評價 2014 年的電影《星際穿越》(Interstellar) ? - 胡曉的回答 里也提到過,當時我覺得這可以由吸積盤足夠亮,能譜足夠寬解釋影片中沒有體現吸積盤視覺上的(左右)不對稱。不過讀到Thorne的書,頓時覺得自己被打臉:特效組刻意沒有表現這個效應讓大多數觀眾不被迷惑。好吧,看來這個錯誤是板上釘釘了。
那麼狹義相對論的效應具體是怎樣的呢?
大家可以想像一個朝向你移動的球形光源,由於相對論性多普勒效應,向你飛來的光子頻率升高,也就是變藍。同時,你單位時間接收到得光子也會增多(類似普通的多普勒效應,你可以把每個光子等效成一個波峰),所以這個光源還會變得更亮。相反,背向光源一側看到的情形就是這個光源變暗變紅。如果光源的速度相當接近光速,大部分的能量就會集中輻射到光源的前方,如同一束很窄的光束,所以叫做相對論聚束效應(relativistic beaming)。這個效應作用在吸積盤上,得到的情形差不多是這樣的:

假設這個盤是逆時針旋轉,我們又是從下往上看盤的側面的話,盤的能量/光譜分布對我們來說差不多就是這個樣子的。具體到電影中的情形,除了彎曲,我們應該能看到右側的的盤更藍更亮,左側更紅更暗一些。

4.飛船依靠自身動力就可以進入第一顆星球的軌道?
這裡不得不說是個BUG,前面提到過,第一顆星球有著非常高的時間膨脹,意味著其必然非常靠近黑洞視界。而我們的飛船剛從蟲洞中出來的時候,距離黑洞還是相當遠的。這兩個軌道之間的能量差,因為黑洞的存在,可以達到變態的程度。用人造衛星的例子打個比方,一個質量為m的衛星圍繞一個質量M的中心天體做圓周運動,軌道半徑為r,取無窮遠處為勢能零點,總能量(引力勢能+動能)為(我知道又有人吐槽我只會牛頓力學了。。。):
E=-frac{1}{2} frac{GMm}{r}
考慮到黑洞的情形,假如r剛好是史瓦西半徑(r=2GM/c^2),那麼這個能量是:
E=-frac{1}{2} frac{GMm}{r} =-frac{1}{2} frac{GMm}{2GM/c^2} =0.25mc^2
所以我們的飛船起先在距離黑洞兩個史瓦西半徑的位置,要想到達Miller星球,需要想辦法把八分之一的自身質量變成「負能量」,假設ranger上有足夠反物質進行湮滅的話,倒是有這個可能。

Thorne在書里提到的辦法是利用一個中等質量黑洞的引力把飛船「拽」慢下來,這個的確可行,只是飛船必須得距離這個小黑洞足夠近,所以這個黑洞也得比較大才能產生比較小的潮汐力不把飛船撕碎。據說Nolan為了不讓觀眾迷糊把這個中等質量黑洞換成了中子星,可惜電影里完全沒有看到相關描述,所以可能是被剪掉了。

5. Ranger到底使用了什麼樣的動力?(跑題部分)
先說結論:依據現有技術,在地球上能達到影片中ranger水平的最有可能的是 化學火箭+變循環衝壓發動機。
影片中則更接近化學火箭+電化學火箭/電火箭,但幾乎可以肯定需要核聚變提供能量。

首先,關於人類的火箭技術,一個讓人傷心的事實是,目前還沒有隻靠單級火箭就可以把有效載荷送上太空的例子。

這幅圖非常好的給出了發動機效率(Specific Impulse,比沖)和可工作速度區間的關係。比沖,簡單來說就是單位重量(注意大家一般用重量)的燃料可以產生的衝量。由於衝量的單位是kg*m/s,而重量單位是kg*m/s^2,所以比沖的單位是秒,所以比沖=450s的意思就是1kg燃料可以產生450*9.8=4410kg*m/s的動量。因為火箭發動機的向後排出的質量幾乎完全由燃料(還原劑+氧化劑)組成,所以這就意味著1kg燃料以4410m/s的(有效)速度向後噴出,這個速度超過音速十倍,接近爆轟波在TNT中的傳播速度(6900m/s),已經是很讓人震驚的數據了,但是,即使如此,火箭發動機的比沖依然在上述引擎中墊底,為何?

因為它自帶氧化劑啊!跟它相比,別的引擎的排出氣體(工質)有相當一部分是來自外界的氧化劑。比如比沖最高的大涵道比(風扇流量:渦輪流量)渦輪風扇發動機,除了內部的核心機靠燃燒排氣做功之外,外面還有個大風扇,只靠吸進空氣再加速就能產生非常可觀的推力,所以這類引擎的效率非常高,卓越的經濟性讓它成為了大型民航客機的唯一選擇。
那影片里的ranger是不是可以做成渦輪風扇(or更簡單的渦噴)發動機和火箭發動機的結合?
我看不行。
因為無論是渦噴還是渦扇,都太重了。為了達到足夠的推力,都有一套笨重的渦輪壓氣機用來吸進足量的空氣,燃燒室後面又有一組高溫渦輪消耗一部分推力用來驅動壓氣機工作。用更簡單的參數描述,就是推重比太低,即使是目前最先進的量產型渦扇,用於F35的PW-F135,在加力狀態下也就能達到接近12的推重比,而火箭發動機,比如現在常用作商用的RD180(就是普京威脅要向美帝禁運的玩意兒之一),推重比能達到78,而蘇聯人為了登月搞出來的NK33,更是有逆天級的136,這個記錄多年來未被打破,直到最近SpaceX的Merlin D才有可能達到更高的159。

所以,我認為更可行的是衝壓發動機(ramjet)和火箭發動機的結合。這已經不是什麼新鮮事了,蘇聯人很早就在超音速反艦導彈上使用了火箭助推+衝壓發動機巡航的組合。尤其是最新的P800 寶石,已經實現了將衝壓發動機和火箭發動機融為一體,從外形上已經看不出助推器的存在了

衝壓發動機取消了複雜的渦輪結構,直接利用進氣道的錐面壓縮空氣,大大減輕了重量。通常認為,衝壓發動機的推重比可以達到20-30(來源:ramstats),比渦扇高很多,接近「低端」火箭發動機的推重比。只是為了有效壓縮進氣,衝壓發動機需要達到較高的速度(2到3馬赫)才開始工作,所以需要火箭發動機作為助推器。

只是普通的衝壓發動機雖然可以在5馬赫的區間工作,但速度繼續升高就會感到吃力:為了保證穩定的燃燒,進氣口進入的超音速氣體要降到亞音速才進入燃燒室,速度更高的話,亞音速燃燒可能就無法保證。超(音速)燃(燒)衝壓發動機(Scramjet)直接繞過這個問題,直接想辦法在超音速流場中進行燃燒!這真是一個瘋狂的想法,從某種角度說,這種燃燒簡直就是可控的連續爆炸,挑戰到了燃燒學的極限!
目前超燃衝壓發動機成功的例子不多,公開報道中最快的應該是NASA的X-43:

在2004年11月的測試中達到了9.65馬赫,接近3km/s,雖然比第一宇宙速度慢很多,但至少可以望其項背。某些資料中甚至提出超燃衝壓發動機的極限速度可能高達24馬赫,也就是&>7km/s,這個時候火箭發動機再次啟動,就可以輕鬆達到軌道速度。片中ranger外形和這個很類似,除了下方的大斜面可以為超燃衝壓發動機的進氣進行提前壓縮之外,類似乘波體的造型也讓Ranger可以水平著陸而不需要降落傘。

所以在我看來,在目前的地球上想造出類似ranger的航天器,比較靠譜的設計是:使用液氫液氧火箭發動機,用於起飛及最後的加速。中間主要使用變循環衝壓發動機:低速時作為普通衝壓發動機,超過5馬赫切換為超燃衝壓發動機,一直工作到20馬赫以上的速度。當然,變循環衝壓發動機技術上是否可以實現是個問題,但總比可控核聚變之類來的簡單。

這個方案的缺點是基本只在地球上可行,因為你也搞不清楚外星的大氣成分如何,所以只是提供一種思路,對本電影沒啥幫助。。。。

其他的回答里有人提到了離子推進器,這種看上去非常酷炫的發動機利用電磁場加速離子(通常是氬,氙或者氪的離子,因為最外層的單電子很容易被剝離),由於噴出的離子束可以由電磁場約束在一個小角度內,只有很少的能量被浪費在熱運動中,這種發動機的效率(比沖)高達6000以上,部分可以超過10000。隨之而來的缺點,就是小的可憐的推力:譬如在Deep Space 1上使用的NSTAR發動機,最大推力只有92毫牛頓,即使是NASA正在試驗中的NEXT,最大推力也僅為670毫牛頓,也就能舉起一個雞蛋,這還不包括發動機本身。不過近年來有一種可變比沖離子推進器(VASIMR)的設計,在功率不變的情況下可以在高比沖/低推力和低比沖/高推力之間調節,目前造出來的200千瓦樣機的推力可以達到驚人的5牛頓!所以,電火箭想要做為起飛的動力,沒有幾百幾千兆瓦的動力源是不太可能的了,還是等可控核聚變成功後再說吧。

最後扯一點關於Aerospike火箭發動機的事情。它和普通的火箭發動機沒有本質區別,優點在於大範圍的高度是英雄,也就是在不同的高度均能保持比較高的效率。普通火箭發動機如果工作在較高的環境壓強下,噴氣的有效截面會受到壓縮而變小,不僅損失效率,而且會造成火焰不穩定。相反,在高空稀薄的空氣中,氣體又會過於發散導致大量能量浪費在非推力方向上。

圖中的Aerospike是所謂的線性設計,也就是很多小噴口被分成兩排。低空時火焰會僅僅貼在「噴管」的牆壁上,牆壁會起到一定的引流+穩定作用,同時底部平面會反射一部分火焰彌補推力損失。高空時火焰會發散到比較大的角度,但由於小噴口本身就是向內傾斜的,所以推力損失不會太大。
這裡有個youtube視頻,算是當年Aerospike的商業宣傳吧
https://www.youtube.com/watch?v=EWf4iOMSPNc

在我看來,Aerospike的另一個好處就是這種扁平的噴口外形使得它更容易和之前提到的超燃衝壓發動機結合在一起。

最後開個腦洞,在那張對比發動機比沖的圖裡,最上面的虛線是液氫液氧燃料理論上的最高比沖,如果燃燒學進步,使得人們可以輕易控制火焰的方向的話,意味著化學火箭也能達到離子火箭的比沖,那麼只使用化學火箭達到ranger的性能也是輕而易舉。


12月2號更新,三刷完成,就等藍光了,哦也。

《星際穿越》是科幻片不是紀錄片,挑刺娛樂一下沒關係,以此義憤填膺地噴《星際穿越》無腦那就有點弱了。作為合格的觀眾,應該知道電影的目的是什麼,什麼時候應該認真,什麼時候應該放鬆下跟著導演開腦洞。

黑洞吸積盤高溫之類的槽就不必多吐了,教科書級的知識,Kip Thorne會不知道?求的不就是個光鮮的視覺效果么?

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其實本座認為,看硬科幻片的樂趣,光挑刺不好玩,挑出刺然後洗地給導演圓場才是王道。以下是諾蘭腦殘粉洗地時間。

-為什麼Miller著陸的第一顆行星的水那麼淺?浪那麼大?既然浪那麼大,明顯不適合居住,為什麼Miller還要發信號表示適合居住?

Miller的行星應該是一顆沒有陸地的海洋行星,一般認為海洋行星的大洋深度達幾百公里,更深的地方,水體因為高壓而變成固體。所以某個地方只有半米深的水但是固體地殼恰好不露出水面,這個比較奇葩。洗地的說法是,因為接近黑洞的高引力場,所以這顆海洋行星表面異常光滑,陸地沒有高低差。而Miller著陸的時候事先探測過,選的就是最淺的地方著陸,而Cooper他們是盯著Miller的坐標去的。

Miller為什麼在這個明顯不適合居住的海洋星發信號這件事情在影片中有一個非常震撼的解釋。海洋星因為黑洞重力場導致超慢的時間流速(海洋星1小時=地球7年),以海洋星的時間坐標來看,從Miller著陸、發信號到Cooper一伙人追隨而來,時間間隔連一小時都不到。換句話說:當Cooper他們降落海洋星的時候,Miller才剛死不久(雖然以地球時間來衡量,Miller已經死了很多年了),Brand甚至猜測Miller就是被前一撥浪沖死的,相隔他們只有短短几分鐘。Miller很可能因為時間流速問題,沒有時間仔細研究海洋星的特性就發了信號。想想看,一小時=地球7年,要是做個常規化驗什麼的花一天,24小時=168年,地球上的人早就死完了。
有人說 team 1 那12個人明明是recon team 可他們啥都沒看就下去了,像洪水星,你隨便做花幾個小時拍衛星照再下去也就不用死了… 根據海洋星的時間流速,給海洋星拍1小時的影片,就要在軌道上呆7年。。。

-為什麼主角和飛船沒有被黑洞潮汐力撕裂
片子中已經解釋過了,這個黑洞屬於「gentle singularity」(專門安排了台詞給你解釋這個你還想怎麼樣啊)。質量越大的黑洞,潮汐力越小,黑洞質量足夠大,可能飛船經過黑洞視界的時候都不會有什麼事。當然了,越接近singularity,潮汐力越大,最後肯定會被撕裂,所以Cooper的飛船最後還是爆了么;另外Cooper在彈射之前之後明顯很難受。

-飛船(Ranger)燃料:最初NASA需要用多級火箭才能把飛船送上近地軌道,說明他們並沒有超越火箭發動機的推進技術。片中還有幾次飛船發動機點火的特寫,很像普通的戰鬥機發動機。這樣一艘飛船竟然可以在1.3G和0.8G重力的行星表面多次起降,表示難以理解。

本座倒是覺得片中的發動機技術比目前技術先進很多,絕對不是化學發動機。從發動機開動的時候發出的藍光來看,很像是無工質離子發動機(Ion Drive):www.extremetech.com
@郝奕成 也提到了可能是aerospike,從樣子上來看確實挺像,但是aerospike依然還是化學發動機。對於發動機的詳盡分析請看樓下的答案。現實中的Ion Drive有推力過小的問題,不適合用於逃脫引力深井,不過未來的Ion Drive應該有所進步吧。

至於為什麼從地球發射的時候還是用的化學火箭,洗地的解釋可以是,除了ranger飛船本身火箭還裝載了其他物資,光靠ranger本身飛不動。還有就是為了最大程度地保留離子發動機的有效工作時間和燃料。

-關於 Endurance號作的是定軸轉動而非定點轉動(?);又怎麼那麼巧它的旋轉軸就恰好穿過對介面的圓心且與它垂直?只要這裡面任何參數稍差那麼一點,庫柏的飛艇無論怎麼轉也無法對接上接

隨機爆炸導致Endurance的旋轉正好是在中軸線上,而在其他軸線上沒有翻轉,這個概率很低,如果在其他軸線上有旋轉Cooper就不能對接。洗地的解釋是:因為Endurance本身就設計為沿中軸線旋轉以產生人工重力,那麼應該有相應的自動運動補償裝置保證Endurance的旋轉保持在中軸線上,平時宇航員走動或者移動貨物都會導致Endurance的質量分布變化影響旋轉,肯定是需要補償的。爆炸以後補償裝置啟動,抵消了其他方向上的旋轉。
對接這一段堪稱史詩,管風琴演奏,飛船固定視角,明暗光影交替變換,絕對的太空哥特風。

====== 15號更新

-為什麼火箭發射台就在會議室旁邊

在NASA一段,Brand按了個按鈕然後會議室的牆壁升起,牆的另一邊赫然就是火箭巨大的尾噴管,我當時的感覺是「Nolan你TM逗我?」 說歸說,洗地還是要洗的。首先不能斷定那個就是發射台,也許只是組裝車間,發射還要挪到其他地方去。其次,就算這是發射台,那麼這個辦公室只是搭在尾焰導流通道里的臨時辦公室。發射的時候把辦公室的牆打開,桌子椅子什麼的搬走。

-強重力場下的通訊問題。為什麼從黑洞軌道或者地球到登陸星球的通訊幾乎只能是單向的

Doyle在NASA的會議上提到了登陸12顆行星的第一梯隊只能向地球發射一個簡單的信號:適合或者不適合居住。Cooper一幫人穿越蟲洞之後,顯然與地球的通訊也只能是單向的,只能收不能發。Cooper登陸Miller的行星之後,和軌道上的Endurance也失去了聯繫(黑叔叔23年後與Cooper他們重逢的時候提到了他覺得他們可能已經死掉了,說明23年中沒有通訊)。Cooper、TARS跌入黑洞的時候與Endurance也失去了聯繫。
如果他們還是依靠電磁波通訊的話,那麼信號電磁波會在強引力場的作用下紅移或者藍移。地球從黑洞星系接收到信號會紅移(頻率變慢,波長拉長),Endurance在軌道上收取Miller星球上信號也是如此。在強重力場下頻率畸變會變得非常嚴重,以目前的技術類比的話,也許相當於801.11AC/5GB的無線WIFI信號畸變成了AM radio,這使得雙向信息傳輸不可能。但是單向的、模擬式的無線電傳輸一個布爾值(true or false)還是可以的,第一梯隊可以向地球發射一個簡單的電平值:高電平就是可以居住,低電平就是不適合——或者更簡單:發射了就是適合居住,不發射就是不適合,因為這樣簡單的通訊協議不受載波頻率影響。電影在通訊上的表現很好地遵循了一個規則:如果通訊雙方一個處在強重力場下,另一個沒有,那麼他們就無法通訊(除非只通訊一個布爾值)。現在唯一的問題就是Endurance通過蟲洞之後,地球和Endurance為什麼只能單向通訊,照理Endurance並未進入強重力場,應該可以雙向通訊才對?洗地解釋來了:跨星際的通訊需要極強的發射功率,可能需要幾萬平米的發射天線陣列,這種功率只有地球上才做得到,所以Endurance只能收不能發啦。

-Murphy最後成功找到公式以後把計算紙從陽台上扔出去然後說是傳統是什麼意思?

這個沒人問,屬於本座自問自答。這是由美國物理學家費米創立的傳統:

在1939年奧托·哈恩和F.斯特拉斯曼發現核裂變後,費米馬上意識到次級中子和鏈式反應的可能性。1942年12月2日他在芝加哥大學體育場的壁球館試驗成功了首座受控核反應堆。在二戰期間第一枚原子彈的建造過程中(曼哈頓計劃),他是主要領導者之一。1945年7月16日5點30分,原子彈在內華達州的沙漠引爆成功時,費米在原子彈試爆現場附近,在氣浪來臨之前、之中、之後各灑了一把碎紙片,並根據紙片飛出的距離將該次核爆炸的TNT當量估算為一萬噸。後來證明這與測量結果(兩萬噸TNT當量)相差不遠,在同一個數量級上。

維基百科,自由的百科全書恩里科·費米

- 《星際穿越》裡布蘭德教授寫在黑板上的公式是什麼公式?
能認真到這一步說明你進階了。傳送門:
《星際穿越》裡布蘭德教授寫在黑板上的公式是什麼公式? - csxiao 的回答

-片尾TARS和Cooper為什麼要脫離母船墜入黑洞?丟掉子船就能保證Endurance到達目的地嗎?

Brand和Cooper決定利用黑洞的引力飛往Edmund的星球,計劃是在黑洞附近拋棄一艘船以使得母船可以到達。但是後來Cooper自我犧牲也跳進黑洞了。Brand,Cooper和TARS對這個決定有幾句台詞,記憶中好像是根據牛頓第三定律,人類要前進必須拋掉點什麼(leave something behind)。這幾句話當時令我比較困惑。首先牛頓第三定律講的根本不是那回事。其次,就算套用牛頓第三定律作用力和反作用力的描述,一個自由落體如果只是簡單地在軌道上分離成兩半,是不會獲得額外能量的,如果母船把子船向下「蹬開」倒是可以獲得一點衝量,但是這麼點能量要逃脫黑洞肯定說不過去。

查了一下Wikipedia,發現這個坎還是有科學依據的。我們已經知道Gargantua是一個高速旋轉的黑洞。關鍵在於,在旋轉黑洞的「動圈」 (ergosphere)附近,使用「彭羅斯過程」(Penrose process)可以從黑洞中提取能量。簡單解釋就是,一個物體如果進入「動圈」然後分離成兩半,如果分離得當,一部分會墜入黑洞視界,但另一部分可以獲得額外的能量並逃逸,這額外的能量來自於黑洞的角動量(Penrose process)。所以Cooper後來的自我犧牲是值得的,多扔一艘飛船,母船就多一份希望逃逸。


Kepp作為大牛,當然知道彭羅斯過程,這個地不用洗!Yeah!回到前面幾句關於牛頓第三定律的台詞,只能解釋為Cooper和TARS在開玩笑,如果真要在片子里認真解釋彭羅斯過程好像有點困難。。。


-用摩爾斯電碼傳遞黑洞信息靠譜嗎?


最後一個問題就是Cooper在5D空間用摩爾斯電碼給女兒傳信息,摩爾斯電碼傳信息得有多久啊。如果有1G的數據那得傳到死,更何況電碼記錯一位後面就全亂了。這個好像有點離譜。但也不一定離譜。你也不知道Murphy成年的時候,地球上的量子引力論發展到哪一步了。可能公式已經出來了,就差一個係數需要黑洞的數據,那麼Cooper就傳一個數而已。或者公式類似E=mc^2之類,其實很簡單,但沒有黑洞數據是推導不出來的。再或者,Cooper就一句話就能讓女兒在研究的道路上少走很多彎路,比如只要說一句「M弦論是對的,好好研究,其他都狗屁」,Murphy就再也不用看其他弦論的論文了,省多少時間。


-Cooper從掉進黑洞到5D空間解體然後回到土星軌道,還能趕上他女兒臨終,這個時間上有沒有硬傷?Cooper偷了戰鬥機之後再去找Brand,他們兩個能在一起嗎?

Brand和Cooper決定利用黑洞引力去Edmund的星球的時候,Brand提到了黑洞附近時間流速問題,Cooper說管不了那麼多了。
那麼是不是Cooper從掉進黑洞再出來,太陽系過了大概80年(假設Muphy接受到黑洞信息的時候是40歲,死的時候120歲)?數字上是的,但理論上沒這麼簡單。
從理論上講,黑洞視界上的時間膨脹效應是無限大。換言之,黑洞外的人觀察Cooper,Cooper永遠都不會掉進黑洞。Cooper在通過黑洞視界的一瞬間,他在時間上會加速到宇宙終結的那一天,絕對不是過了80年這麼輕描淡寫。在他極端逼近黑洞視界的那一刻,他女兒已經老死,地球人類已經完全滅絕且不說,可能太陽都已經燃料耗盡變成了白矮星。。。最後Cooper回到土星軌道,只能解釋為Cooper進行了時間旅行。從5D空間出來,5D空間的製造者可以選擇讓Cooper回到任何一個時間點。實際上Cooper從5D空間向過去傳遞信息,就是不折不扣的時間旅行(會造成悖論的那種);其實不管什麼東西掉進黑洞,只要再出來(無論是通過5D空間還是別的什麼天頂星科技),那就是在時間線上逆行,就是時間旅行。這個口子反正已經開了,那麼讓Cooper時間旅行回到土星軌道也沒什麼問題。為什麼讓Cooper回到Murphy 120歲的那個時空而不是更早或更晚?更早的話,Cooper Station還沒有造好,Cooper出了蟲洞也沒人救。再晚點,Cooper就見不到Murphy最後一面。至於時間旅行的悖論問題,這個話題就比較大了。《星際穿越》中存在時空悖論嗎? - alienbat 的回答

那麼Cooper開著小飛機再去找Brand會發生什麼呢?Brand並未掉進黑洞,但是她的時間也已經大大地被減慢了,地球上80年可能只相當於她幾天。片尾展示了Brand登陸了Edmund的星球,給Edmund堆了個墳,搭了幾個帳篷,最重要的是髮型沒亂,說明她的殖民才剛剛開始。所以他們還是可以在一起的。

======結論

《Interstellar》是本座看過的最嚴謹的科幻片,沒有之一。片中對於幾個科學問題都花費鏡頭專門解釋,令我這種geek很high,換了其他導演估計就一筆帶過了。片中讓我感覺很舒服的地方:

蟲洞形狀問題:在進入蟲洞之前黑人宇航員專門解釋了蟲洞為什麼在三維空間是球形。其實他不說估計也不會有人專門問。

Cooper, Brand和Mann在基地里的討論:這段討論不長,但卻是全片技術含量最高的一段。Mann提到了目前物理學的根本難題,就是廣義相對論和量子力學在重力問題上的不一致性(原話大致是:Because he (Professor Brand) couldn"t reconsolidate General Relativity and Quantum Mechanics)。不解決這個問題,Dr Brand在地球上無法達成Plan A的目標(操縱重力以造出廉價的殖民飛船)。要突破這個問題就必須在黑洞視界內取得數據。Cooper問為什麼不能這麼做,黑人回答這是不可能的,因為「nature prevents a naked singularity」,這來源於宇宙審查假說:Cosmic censorship hypothesis。 說通俗點就是黑洞奇點毀壞物理定律,屬於宇宙的家醜,所以被藏在黑洞視界背後,而通過了黑洞視界的事物一律是有去無回的,所以也不會有人可以暴露「家醜」(但其實還是可以的,但涉及到時間旅行,後文會提到)。

Cooper四人組在冰星球上還談到了道德問題。Amilia Brand和Cooper從地球的通訊中得知了Professor Brand本來就沒計劃Plan A能成功,等於騙了所有人(Dr Mann除外)包括美國政府,騙的Cooper骨肉分離,假借Plan A實行Plan B,就為了避免人類滅絕。以壞的手段達成好的目的是道德的嗎?這涉及到「實用主義」(utilitarianism)等一系列討論,但是《Interstellar》的解決方案簡單粗暴,乾淨利落。片子中Dr Mann怎麼說的?(大致台詞)Unforgivable, Yes. But he (Professor Brand) was willing to sacrifice his own humanity to save the species. 換言之,徹底拋棄了虛偽裝逼的道德討論:我就當千古罪人了怎麼著?只要人類可以延續下去,全地球的人類都罵死我也無所謂。雖然片子里沒有明說,但我相信Brand作為頂尖的物理學家,做這件事情是毫不猶豫的,這和《三體》裡面維德的做派有點像。「失去人性,失去很多。失去獸性,失去一切」。其他有很多片子,比如《Unthinkable》講對恐怖分子刑訊逼供的,主人公都扭扭捏捏又哭又喊,繞不過這個道德問題,其實說穿了就是不肯犧牲人性:要殺要剮沒關係,但聖母是一定要當的。知道Nolan的片子里還有誰肯為了更高階的目的背罵名么?對了,那就是蝙蝠俠。

在此還想說說Dr Mann。這是一個很有特色的角色,Dr Mann在片中被公認為是先遣隊12人中最強的,正是他號召了其他11人進行這個神風任務。他對Professor Brand以及整個任務的評價相對其他三人是極端的理性和冷靜。和Cooper出去「勘探」,下黑手之前一路上還說了一大段關於恐懼和生存的道理,殺人之前思維依然有條理。Cooper罵他懦夫,他也毫不猶豫地承認了,但依然要下手。所有的這些,是因為他心理素質過硬嗎?應該不是,Dr Mann在砸破Cooper的面板之後不忍心看Cooper憋死,先是走開然後又關掉了通訊器,說明他不是那種殺人如麻的心態。Dr Mann並不是單純的想活命,他依然要達成Plan B。再結合前面在基地中的說辭,我得出的結論是他已經完全拋棄了人類的那一套道德準則,行事邏輯就是自己要活命,人類也要延續下去,過程中犧牲幾個人無所謂,有點《三體》裡面星際人類的意思。Dr Mann徹底想通了,自己在一顆冰星球上苟延殘喘,人類在母星上已經快絕種了,人類唯一的希望就是貨艙里幾千個冷凍受精卵,在這種情況下地球道德準則頂的屁用。他下手了,但是畢竟還沒有做到位,讓Cooper撿了條命, 自己又操之過急了,飛船還沒對接好,他就一路關掉各種系統警報強行開倉。嗯,我這算是給Dr Mann洗地了么。。。

Cooper和TARS墜入黑洞取得數據:進了黑洞有去無回這件事其實也是矛盾的,因為信息不能被憑空消滅掉,霍金的解釋是被黑洞吞噬的信息最終會隨著霍金輻射重新釋放出來。影片的解決方案是讓Cooper在高維時空向過去傳遞信息,這涉及到了時間旅行一系列的議題,時間旅行這個問題很大,涉及到了外祖父悖論三大主流解決方案。。。在這裡就不談了。

值得一提的是Cooper墜入黑洞那一段有一個不到一秒的鏡頭:在下墜過程中黑洞「地平線」的圓弧急劇向上彎曲,包圍了宇宙的星空。這個是有根據的,在此頁面有詳細討論:Journey into a Schwarzschild black hole。要注意的是,電影版本的墜入黑洞視覺效果雖有根據,但並不是最正確的視覺效果;更正確的效果是整個宇宙在宇航員的腰部位置向上捲成一個桶形,但視覺上看起來難以理解。個人覺得還是電影版的效果更容易理解一點,墜入黑洞就像墜入一個深井,所有的星空縮成一個井口大小的光圈。。。光是這一個不到一秒的鏡頭就令本座心服口服,我相信一般觀眾都未必會注意到這段。為什麼我注意到了這段?因為我就是沖著這個去的,哇哈哈哈

洗地完畢~~ 最後,對Cooper到達singularity以後的劇情的槽不要吐,現有的科學無法解釋在黑洞核心會發生什麼。腦洞怎麼開都是可以的,就算Cooper在核心遇到海綿寶寶都是合理的。

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以上那句是玩笑。

上映已經快兩個禮拜,《Interstellar》被噴得也夠多。劇情複雜的科幻片都是這樣,《Inception》也是如此。其中不乏一幫文科生看不懂惱羞成怒。

這就涉及到一個根本性的問題:你會不會看電影?

去電影院看電影,如果你不是為了在黑暗中摸妹子醉翁之意不在酒,那你也就是為了去娛樂一下吧。作為合格的觀眾,為了最大程度的娛樂,看電影之前要做好一件事,這件事叫:suspend belief。 這是一個你和導演之間的交易。導演說,你姑且無條件地相信我作的一些假設,不管這些假設有多麼荒誕多麼假;基於這些假設,我給你講個好故事。

看《Star Trek》,你就得相信不同的外星人恰巧樣子就長得和人差不多。看《Star Wars》,你就得相信有原力這回事。看《The Matrix》,你就得相信電腦喜歡把人做電池而不是直接飛到大氣層外用太陽能電池板。看《Inception》,你就得相信手提箱造夢機掛上點滴就能給你洗腦。看《Interstellar》,你就得相信人類能造星系級飛船但是種不好田。看《Avengers》。。。漫威說啥你就得信。

去看魔術表演,你知道魔術師明目張胆地騙你但你還是心甘情願地掏錢。你可以吼一句:「你做的都是假的,你根本就不能把那美女鋸成兩半再拼起來」。你猜這場子里誰是傻=逼?

魔術師強不強,取決於觀眾明知他在玩障眼法的情況下,能否把不可能的情況玩得天衣無縫。

故事講得好不好,取決於在假設的前提下,情節能不能自圓其說,而不是假設是否荒誕。
分清哪些是「假設」,哪些是「假設所引出的情節」,是一個合格觀影者的基本素質。


看了前面的答案,大多沒有詳談關於高維空間的內容,所以我主要補充一下這方面:
為了不偏題不被摺疊,我只提出一點「錯誤」,後面都是洗地:
低溫睡眠是不是不夠嚴謹啊,液態低溫好歹也是有新陳代謝的也是要營養的啊,馬達二十年能撐得了嗎?不是說食物吃光了嗎?(這問題能扯圓,懂就行)
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15日更新:星際穿越OST
建議邊聽邊看,寫了這麼多,雖然不全面,也算半個影評了。
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最初版本的回答:把五維生物創造的四維超立方體實際上是三維的立方矩陣展現在二維屏幕上,諾蘭夠不容易的了,你還想怎樣!
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在刷完第二遍的基礎上補充以下內容
主要補充兩個問題:
一.男主怎麼回去的?
二.黑洞里到底是幾維空間?如何展現的?

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正文開始:
一.男主怎麼回去的
主角在黑洞里的五維生物創造的四維空間崩塌後由they套上保護膜穿回了蟲洞,中間和過去穿越蟲洞中的女主角握了手,打了個照面,最終回到土星附近男主女兒建立的空間站旁邊,已經有人在打撈的路上了,整個過程非常快,由於從黑洞出發時已經是數十年後,男主女兒早就把空間站建好了,所以整個過程非常流暢,氧氣完全足夠,恐怕最長的一段時間是飛船來救他的路上。
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二:黑洞里到底是幾維空間?如何展現的
正解:
主角在黑洞中所處的是三維立方體矩陣,但不同於我們的三維世界的是:主角可在矩陣中不同時間的立方體穿梭,因此也可以叫做時空意義上的四維,即空間三維+時間一維,而並非空間上的四維。(我們所處的是空間三維+時間零維)

關於四維到底是時空還是空間的爭論
看看這個吧
四維空間為什麼不是三維空間加上時間? - shellway wang 的回答
四維空間為什麼不是三維空間加上時間? - acel rovsion 的回答
我補上一句,如果高維生物真能在時間真能隨意倒退改變,那我們早就能看到未來的生物了,因為他們會回來。所以四維指純空間,而片中設定的三維+只能用引力干預的時間軸也不違背本條。

展開:
1.電影里導演想表達的是:進入黑洞後進入的是三維立方體,這個三維立方體是五維生物創造的,這是非常嚴謹不會犯錯的說辭。
這一點機器人的一句話加以證明「我遇到了五維生物,他們建立了這個三維立方體」,三維的說法是原字幕。我刷第二遍的時候才注意到,想必很多人在第一遍應該沒有注意,誤以為是五維空間了。

2.我的理解:
導演很想展現進入黑洞後是四維世界,因為呈現的是「超立方體」,而且有時間的流動,不同的立方空間就是不同的時間,所以我理解的是導演想表達四維,但目前的技術無法實現。
更何況,就算是在四維,男主也只能在三維空間中行動,無法在第四個軸上移動的,所以They就創造了便於男主行動的三維立方矩陣,而時間這個軸由於三維人類本來就無法移動,所以就做成了一個一個的可以互相穿梭的三維空間。
你可以發現,男主進入立方矩陣後,只能三維移動,而進入一個立方體時,立方體內的時間流逝是正常速度,男主無法變速或者倒回,要換時間點只能空間移動到下一個立方體。
超立方體 不等於 「超立方體」 ,打了引號的是偽超立方體,下一點會解釋。

3.為什麼是三維立方矩陣不是四維超立方體?
心慌方2的立方矩陣(僅僅在片尾做了一段超立方體的特效,片中的表現不是很嚴謹,就不展開了)

電影中的立方矩陣(以後有圖了補上):相較於三維的矩陣,電影中的矩陣中每一個立方都是一個時間,主角可以在不同的時間中用三維運動的方式進行穿梭,所以也可以理解為四維時空,但就空間來說,是三維無疑。

因為:電影中四維「超立方體」的呈現基本上和《心慌方》的「超立方體」表現形式差不多,仍舊是三維的立方矩陣,我想這就是機器人說是三維的原因了,因為作為一個三維世界的攝像機,去拍四維世界是無法通過現在的特效水準呈現的,因為我們看到的永遠是四維世界在三維的投影

真正的四維世界在三維的投影,有一段視頻可以參考,是幾個數學家演示的:
上:
視頻封面[Dimensions][03]四維空間[上]視頻下:
視頻封面[Dimensions][04]四維空間[下]視頻
相關問題:
為什麼掉進黑洞就進了四維世界?
答:如果你在二維世界的一張紙上,紙上有個洞,你跳進去了發生什麼?當然是進入三維世界了。
電影的黑洞設定和我們平時所學的有所區別,而片中黑叔叔也解釋了這是一個「溫和的」黑洞
為什麼五維生物能在黑洞里創造四維甚至三維空間?
答:你作為三維生物是不是能隨心所欲的在二維平面上畫畫?
低維生物是無法看到並理解高維世界的,而高維生物可以對低維世界為所欲為,這個我們只能逆推腦補。

贈言:這個影片的科學框架太龐大了,環環相扣幾乎無懈可擊,除了多看看影評和其他知乎答案外,建議多看幾遍電影。

我才刷第二遍,有些表達也不一定準,我會擇時刷第三遍,到時候再補充。

--------題外話:導演要表達什麼-------
導演無數次要表達的是類似於大航海時代和登月時代的不畏犧牲的探險者精神和人性:
探險者精神
1.到達土星時和黑人叔叔關於帆板選手的對話
2.黑叔叔等了23年,並沒有多少休眠,而是孤獨的演算黑洞。
3.老布蘭德不惜扯下彌天大謊說服國家動用資金執行B計劃,犧牲全人類,將希望寄托在飛船上
4.關鍵時刻,男主毅然投向黑洞探索奇點數據以尋找機會實現A計劃
5.海嘯時AH寧願犧牲自己也要找到黑匣子(你就當這麼理解吧)
6.男主開始對阿波羅探月的解釋和辯護 此條由@楊宛愔 提示
7.lazarus行動的紀念碑

人性:
惡:馬達兄不說了也是為了求生

善,愛:
1.Stay
2.執著的相信A計劃
3.Tom帶著家人執著地守在祖祖輩輩的土地上
4.23年的錄像
5.AH拋棄理性只願身赴男友處
6.Murph在她爸離開後衝出門哭喊
7.Murph算出方程後對醬油兄的吻
8.Murph因為愛回到房間找答案
9.人性化的機器人
……太多太多淚目場景了,每一處都值回票價啊有木有!

我說這麼多隻想表達:
導演主要想表達人文內容啊!科學部分也是很嚴謹啊!人艱不拆啊!與其找bug不如找找哪些地方感動了啊!

如果對你有幫助,請點贊支持!


參見這篇文章:Interstellar science review: The movie』s black holes, wormholes, relativity, and special effects.
說幾個這篇文章裡面的幾個意思,這可能也代表了很多人第一反應上的質疑。最主要的兩點主要集中在黑洞附近時間變化和巨浪星的存在問題。下面是該作者提出的質疑。
作者名為Phil Plait,是一個天文相關博客的寫手,於1994年在University of Virginia獲得天文學博士學位並在該校從事過一段時間天文教學工作。曾經在NASA"s Goddard Space Flight Center下面的Space Telescope Science Institute做天文圖像處理工作,多次觀測行星爆炸..所以作者也確實是個天文學家。

1:一個已經幾十年沒有funding的NASA..居然還能每年發射數十個無比昂貴的有乘員的火箭出去,而且發射井就在辦公室邊上..
2: 駕駛員為什麼不是無人的,搞那麼多重型設備,就是給宇航員和家人聊聊視頻,剩下的帶寬明明可以發送更多行星信息
3:cooper進入蟲洞後立馬找到了那幾個星星,但是這幾個星星的光和熱是哪來的?他們應該需要恆星吧,因為cooper之後進入黑洞的時候沒有被烤成乳豬,所以在設定里黑洞是不輻射熱能的。
4:三個行星都非常的靠近黑洞,沒錯,靠近黑洞時間會變慢,但是要達到『1H:7Yr』的比例,這三個行星應該處於黑洞的表面。。。0.0 但是...能穩定運行的行星一定要距離黑洞中心3倍黑洞半徑以上。在那個距離上,cooper的時間過得只會比地球上慢20%。
5:關於那個巨星潮汐星球,那麼大的浪,這行星不應該存在而是應該已經被撕成碎片了,或者水早就揮發到宇宙了。在黑洞這個距離上的行星,兩面受力大小區別很大,應該是不應該存在潮汐的,而是水匯聚在靠近黑洞的那一面,停止自轉,參見Tidal locking。
6:吸積盤是高熱,有東京熱那麼熱,特別特別特別亮,可以在數百萬光年外就看見,在cooper駛向黑洞時,他要麼就是先被閃瞎了狗眼,要麼也是半路被各種輻射燒成碎片。

7:etc.etc...
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作者認慫分割線
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之前給出了原文鏈接,現在作者認慫了,於是我覺得我有必要逐條更新一下幫作者自扇耳光。
先介紹下作者:
在幾天前po出了第一篇吐槽文章以後,Kip Throne應該也是看了他這篇文章,於是送了作者一本書.Amazon.com: The Science of Interstellar (9780393351378): Kip Thorne, Christopher Nolan: Books..希望各位不要過分揣度...人家這是科學心態,不是心機婊。
還有另一片比較廣泛傳播的質疑電影里科學嚴肅性的文章The science of Interstellar: astrophysics, but not as we know it,裡面也質疑了巨浪星的存在,還有時間的問題。有興趣的同學也可以看一下。但是基本上是犯了同樣的錯誤。
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耳光
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1:一個已經幾十年沒有funding的NASA..居然還能每年發射數十個無比昂貴的有乘員的火箭出去,而且發射井就在辦公室邊上..

對於這條實際上本身也不是特別站得住腳,因為地球遭遇的問題,要維持那麼多人的工作肯定要在盡量小的佔地面積內。所以發射井在辦公室邊上也沒什麼不可能了。經費嘛,這個仁者見仁,總之沒有太多硬傷。

2: 駕駛員為什麼不是無人的,搞那麼多重型設備,就是給宇航員和家人聊聊視頻,剩下的帶寬明明可以發送更多行星信息
雖然人工智慧發達但是人類駕駛員還是有很大的作用,所以其實也沒有什麼硬傷了。

3:cooper進入蟲洞後立馬找到了那幾個星星,但是這幾個星星的光和熱是哪來的?他們應該需要恆星吧,因為cooper之後進入黑洞的時候沒有被烤成乳豬,所以在設定里黑洞是不輻射熱能的。

這一條和吸積盤高熱其實是重複條目,實際上確實沒有太多可以吐槽的地方,老生常談

4:三個行星都非常的靠近黑洞,沒錯,靠近黑洞時間會變慢,但是要達到『1H:7Yr』的比例,這三個行星應該處於黑洞的表面。。。0.0 但是...能穩定運行的行星一定要距離黑洞中心3倍黑洞半徑以上。在那個距離上,cooper的時間過得只會比地球上慢20%。
作者現在更正了自己的說法,因為之前他的假設是黑洞的質量大概是太陽質量的十倍左右,但是現在數據顯示電影裡面的黑洞質量是太陽的一億倍而且還在快速旋轉(表面速度達到光速的99.8%)。綜上運用了正確的公式以後確實有可能在這樣的黑洞附近找到穩定的點,同時時間變化達到1小時比7年。
如果有同學要學習,參見引力時間膨脹。

請閱讀這篇文章獲取關於超級黑洞的知識http://www.nature.com/nature/journal/v494/n7438/full/494432a.html

同時請閱讀這篇文章獲得電影背景支持
The Science of "Interstellar" Explained (Infographic)

5:關於那個巨星潮汐星球,那麼大的浪,這行星不應該存在而是應該已經被撕成碎片了,或者水早就揮發到宇宙了。在黑洞這個距離上的行星,兩面受力大小區別很大,應該是不應該存在潮汐的,而是水匯聚在靠近黑洞的那一面,停止自轉,參見Tidal locking。
這一條作者並沒有進行反駁,所以待討論。這點得到了奈爾·德葛拉司·泰森的支持,沒錯,就是那個..上囧叔脫口秀的「在天文界就好像是打籃球的白人一樣稀有」...WWWWWW但是緊接著他也加入了自抽耳光的行列,承認有可能存在巨浪星。
參見天文學家Neil DeGrasse Tyson跟囧叔節目上胡扯(這可能已經屬於亂入了)

6:吸積盤是高熱,有東京熱那麼熱,特別特別特別亮,可以在數百萬光年外就看見,在cooper駛向黑洞時,他要麼就是先被閃瞎了狗眼,要麼也是半路被各種輻射燒成碎片。
這一條應該是正確的,但是確實是很無聊的吐槽。

7:etc.etc...

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總之就是作者認慫了,這就是科學,精神值得鼓勵。

最後推薦大家閱讀
http://ikjyotsinghkohli24.wordpress.com/2014/11/07/on-the-science-of-interstellar/

順便亂入奈爾·德葛拉司·泰森真是個逗比

Neil deGrasse Tyson @neiltyson · Nov 9

In #Interstellar: They explore a planet near a Black Hole. Personally, I』d stay as far the hell away from BlackHoles as I can.

「他們去探索黑洞附近的星球,個人來說,我能特么跑多遠跑多遠。」--11月9日

最後插播一條討論.

@alienbat 離子推進器製造的推力足以把飛行器在1.2G的星球上推到逃逸速度嗎?為什麼不是aerospike?

http://imgur.com/a/Cp6FZ


看這個帖子受益匪淺,我覺得樓上有個蠻有意思,說給電影挑錯的,再接到索恩的回應或者自己想了想,又收回了挑錯。
我覺得這代表了兩種思維方式,
一種是,在如此苛刻的條件下,某事是很難實現的。
一種是,假設某事確實實現了,我們來看看能使他實現的條件是什麼。
其實這兩種思路的分野,我是在讀到索恩回憶他如何開始算蟲洞和星際航行時看到的。大家都知道這個典故,當時卡爾薩根寫接觸,向索恩請教,索恩一開始的反應是,不行,蟲洞不穩定,然而卡爾薩根說,假設有一個神級文明,沒有任何技術限制,唯一的限制就是自然規律,他怎麼做到維持蟲洞切允許人類毫髮無損通過?
我覺得所謂硬科幻,就是秉承第二種思路的,它使得我們的幻想既不是無根之木,又不會被束縛在土地上。
所以我是同意大家的看法,正確的態度應該是為它補漏,而不是挑錯。


額……片子很好很嚴謹,但我有一點不太明白……

大家各種費勁地找一個和地球差不多的星球(它的引力和地球可以不一樣,氣體組成成分可以不一樣,沒有生物存在也沒問題,只要看起來貌似適宜生存就好了)去改造的成本,與改造環境被破壞了的地球本身的成本相比,前者真的更小么?


雖然好像這麼一來,就沒有必要拍這電影了的樣子……ORZ

======================早上起來還是沒有明白的分割線==============
看,這是在得到虛假的數據後,覺得有希望成為地球殖民地的星球。

評論中 @Fisch同學說的對呀

找了一圈,發現還是有點沙塵暴的地球更好一點

所以這麼拍是有深意的對不對!感覺是在向身在帝都的我暗示著什麼……


糟點在於

電影的思路是:地球氣候惡化——農作物減產、氧氣減少——人類難以生存——向宇宙移民。
如果移民的星球像阿凡達那樣,我也就認了。而實際上那些星球還不如電影中的地球。農作物減產和缺少氧氣的問題依然存在,沒有任何證據表明黑洞周邊的那些星球比地球更適合長玉米。

電影中認為在地球尺度上,農作物減產問題是不可能解決的,而在光年尺度上實現反重力和宇宙移民是可能的。這特么是一個重量級的問題嗎?好吧,就算故事講的是一群快餓死的人如何解決人類能夠想像到的最前沿的問題去茫茫宇宙中找吃的,那些探索者到了目標星球,好歹先種兩茬玉米出來看看行不行。那個一小時=7年的星球估計是來不及實驗了,但是伯恩的那個為毛也沒看見基地附近種了玉米呢?

吐槽的核心在於,要讓人類文明繼續繁衍,無論是plan a,還是plan b,玉米才是關鍵中的關鍵。無論怎麼移民,除非找到本來就長著玉米的星球,否則問題一個都沒解決。


把所有回答看了一遍。

沒有人注意到這個影響劇情的bug。

Millers 的行星上發射出來的信號,應當受到極大的引力,所以會有很強的紅移,在地球上的人應當能夠注意到這一點,因此可以反推出降落了多久信號就中斷了。
退一步,即便是不攜帶任何信息的心跳報文信號,也會觀測到總個數不對而得出飛船落地之後很快就被摧毀的事實。
再退一步,既然算出來 1小時 = 7年,那麼十多年就中斷了的信號也就意味著信標不到兩小時被毀了。

從哪個角度講,當時在場的人都應當能得出這個結論。

所以這次著陸是硬傷。

評論里有提醒說著陸是跟著信標定位的,那麼第三條不成立,但前兩條還是成立的。
如果能一直收到信號,那麼信號頻率變化會更明顯,沒理由注意不到。

再ps,下面這個不是bug:
經過與評論串中陳鏡丞同學長達三天的探討,我突然意識到……
尼瑪永恆號在這23年里居然是停在拉格朗日點 L2 的……
當然也有可能我需要去刷一遍,看看永恆號是不是根本就沒過去……


更新。
澤樹朋友的疑問:「怎麼理解cooper 在黑洞中做的事情以及他被彈出去之後和布蘭德握手 和他之前經歷的是一樣的?時間線是怎樣的」
Cooper在黑洞中做的事情就是在高維空間中操縱引力,在高維空間中引力具象化,可以被操縱,而引力在影片中具有超距作用,可以跨過時間和空間,所有能控制墨菲的小屋。
針對第二個疑問,不知道你有沒有注意,在他們第一次經過蟲洞的時候,Cooper想要操控飛船,但是大老黑說,沒用的,我們在高維空間,只能觀察和記錄。是的,他們在穿越蟲洞的時候處於高維空間(很可能是5維或者更高),與後來黑洞中的Cooper處於同一個維度。當Cooper完成使命的時候黑洞中心的五維空間的三維盒子關閉,Cooper又重新掉入到高維空間。這時的Cooper和穿越蟲洞的布蘭德都處於高緯度。而高緯度里,時間具象化,像是可以移動的路徑,所以他們完全可能相遇並握手。但是為什麼茫茫五維空間,Cooper為什麼會和布蘭德相遇呢,我認為這正是精彩的地方,也是導演點明主題的地方,那就是愛,導演暗示了,Cooper和布蘭德之間在最後的生死訣別時刻產生的愛。所以在五維空間中可以自由移動時,Cooper跨越了之前的時間,在五維空間中像是跨越了幾道山峰,尋找,他冥冥之時的牽掛(因為這時地球人已經脫離險境,他已經不再擔心)——布蘭德!

回想一下今天觀影的感受,以及看到很多人對劇情的一些疑問,想談一下自己對一些對劇情的理解。不過當你喜歡一部電影時,你會不自覺地胡編亂造一些理由來為它洗地。(指示燈亮)

1.誰造了蟲洞,誰造了黑洞中心的五維空間中的適合三維生物理解的超立方體(超立方體_百度百科)?
這個問題很顯然在電影中交代的是They,在Cooper最後特別興奮的時候說They 就是Us,也就是未來進化到高維生物的我們人類。這就會引發一個問題,如果人類沒有走出這場危機,就不會有未來的人類,又談何有未來的進化。對於這個悖論,可能存在的解釋是:
A.這場枯萎病危機最後過去的時候人類可能有倖存一部分,然後經過漫長的進化,可能是幾千年,再回頭看這段歷史,覺得這是人類的一次重大的創傷,於是決定補救。
B.這可能根本就不是人類,只有Cooper在興奮之餘說到未來人類,其它證據並沒有。可以想像當Cooper突然意識到自己將自己帶到黑洞中心時,第一次發覺時間的環形結構,腦袋發熱做出的猜測,並不是冷靜的思考。那也會有人說,劇情中主人公的獨白往往代表著導演的觀點,這個可以另說。
C.還有一些解釋就如網上所說,的確是人類,時空循環式的發展是我們目前無法理解的,我們稱之為悖論的東西,可能是當前科學界的認知障礙。也有人說平行宇宙之類的,不過看不出導演想有要表達這些東西的意思。
2.Cooper如何到達的黑洞的,真的是自己引導自己來的嗎?
這個問題其實要追溯很多,先談一下Cooper如何一步步走向黑洞的。在影片的開始,從Cooper生活中,我們發現了些異常。比如印度無人機為何超低空飛行在他們家附近,收割機為何突然失控來到他們家院子里。當然我們知道這些都是「重力異常」造成的,也就是影片基於的引力波傳遞信息。(但是引力這種東西是不是超時空作用的,暫且不談。引力波_百度百科)相比於獲得NASA坐標,獲得「STAY」信息不同,後者,電影中已經表明是Cooper自己所為,而前者的是何人所為呢?這是一個密謀。Cooper和墨菲是救世主,They選定了他們。They通過種種現象誘使Cooper走向了自我引導進入黑洞的道路,於是父女兩人一個在黑洞里,一個在黑洞外完成了數據的傳輸。幫助人類從無知中解脫。
3.為什麼They選定了Cooper和墨菲,而不直接告訴人類黑洞奇點內的數據?
這個電影中已經明確表示了,They在五維空間中,無法和人類採用任何波段通信。因為黑洞的視界內是不可見的,同時塔斯也已經證實,它掉進黑洞後無法向外界傳輸任何信息。那麼如何將奇點的數據傳遞給人類呢?只有引力!這是影片中Cooper後來覺悟到的。而引力波是人類當時科技無法理解的,無法接收的,也許未來人類可以通過引力波同未來的高級生物通信,但現在科技達不到這樣的水平。They可以通過引力波發送各種信息,但是人類根本不理解。這也解釋了為什麼布蘭德教授組發現了近幾十年的重力異常現象,卻完全不理解。到此They肯定要吐血了,不過這時They想到了一個妙招。就如影片所說,穿越時空的交流媒介是引力,而穿越時空的默契是愛。有了愛和引力波,就可以在五維空間中與地球人類交流了。具體做法就是引誘Cooper和塔斯來到黑洞中心,然後通過Cooper和墨菲的愛與信念(最重要是默契)在秒針上完成了信息的發送和理解性接收。也就是通信里經常講到的信息的傳遞需要媒介,也需要協議,不然接收方完全不理解。而五維空間的生物雖然掌握黑洞的數據,但是卻沒有與人類事先約定好的協議,無論怎麼通過引力傳遞數據,都是不可行的。唯一的辦法是,找兩個事先約定好的人類,讓一個進到黑洞里獲取數據,然後叫他如何傳遞信息(在五維空間中操縱引力);另外一個在地球接收即可。They真是太厲害了。
4.如何理解造蟲洞和黑洞中心的超立方體?
至此我們明白了They的良苦用心,也為Cooper和墨菲的愛感動。那麼我們來重新回顧這個劇情的發展。
首先老布蘭德一伙人發現了土星旁邊的蟲洞。那麼有人會問為什麼在土星旁邊,那麼遠,怎麼不在地球旁邊?這個問題,我覺得可能蟲洞的引力效應放遠一點可能比較安全(指示燈亮)。另外土星Saturn不就是農業之神嗎,可能導演希望農業的問題能夠最終解決吧。(指示燈亮,幽默度調整到50%)其實從They放置蟲洞的時間48年前可以看出,假設電影基於的時間是2015年(當然只是猜測)那麼48年前,NASA的登月計劃正在實施,而且即將成功,這個時候是地球航天水平發展的一個高峰,They希望人類能夠穿越蟲洞。不過那個時候人類每天都有新的概念出現,每天都有新的東西被發明,感覺每天都像是聖誕節,完全不會意識到危機的出現。怎麼說呢,可能就像我們今天一樣,科技的發展讓人們自負,人口的膨脹,環境的破壞就像一個定時炸彈一樣。
5.布蘭德教授的計劃是不是有他考慮不周的地方?
絕對是有的,而且不是考慮不周,而是徹底的想錯了。當時老布蘭德教授發現了蟲洞後,以為They來拯救他們,讓他們去另外一個星系尋找新的家園。於是建立了引力方程,希望建造廉價飛船帶人類離開,後來發現方程的解需要黑洞內的一組數據,否則方程解不出他想要的解,於是他放棄了,轉而寄希望與把人類的火苗散播到其它星球。
布蘭德好可憐,犧牲了自己的人性,為了拯救人類的種群。其實他理解錯了。They建造蟲洞,目的就是讓人類發射航天器,去黑洞採集數據。那麼大的黑洞,在旁邊的星球有生存環境的可能很小啊。當12個探測器都飛躍蟲洞經過黑洞不理,奔赴不同星球時,They一定又吐血了。不過,They選定的是Cooper,其它人倒也無所謂。為了能讓Cooper完成使命,They專門挑選了,比較古老溫和的黑洞,為Cooper建造了無限個Cooper家書架空間和時間的超立方體。就等著Cooper完成他的使命。
所以故事就是這樣的:They為了拯救人類免於危機,需要傳遞給人類一些信息,而這些信息就是最關鍵的信息,當然首先就應該是解決基本物理學問題的知識,也就是統一廣義相對論和量子力學的矛盾,有了物理學的突飛猛進,人類應該能夠找到解決危機的途徑。而在五維空間又無法和人類交流,因此藉助 了Cooper這個強大的主人公,選擇了一個溫和的黑洞安全的護送他到達黑洞的中心,將信息傳給墨菲,完成人類認知的飛躍。


最近這部影片似乎要被捧為「神作」了,正如之前《地心引力》一樣,大家對所謂的「硬科幻」作品都喜歡瘋狂的找bug。看了知乎目前第一名和果殼一個大神貼的討論,基本已經把bug討論差不多了,但覺得還是忽略了一些東西。剛從影院回來,趁著記憶還清晰談談自己認為的幾個bug。前方友情提醒嚴重劇透!


第一個是關於「他們」是誰的疑問。既然影片中最後提到「他們」就是「我們」,而影片早先又提到「他們」放了一個蟲洞幫助我們尋找新大陸,那麼到底這個蟲洞是誰放上去的,怎麼跑出來的?

第二個是似乎很少人注意到影片中的三個星球的似乎挨得太緊密了。影片中提到飛船光從地球到土星就用了2,3年的時間,而感覺過了蟲洞後飛船從一個星球到另一個星球的時間並不是按年算的。要知道按照某帖子的分析蟲洞視界半徑可與地球軌道相比肩,而我們看到星球1受到的黑洞引力之大以致巨浪頻頻,而星球2則是寒冷之地。而要想使得不受黑洞引力影響星球2與星球1的距離必然要比地球到土星的距離大的多的多,按飛船的速度就是飛個幾百年也不為過,那麼為何在沒蟲洞捷徑的情況下飛船從星球1到星球2航行所花的時間卻不是以這時間為尺度呢?

第三個在於庫伯進入黑洞後落入異次元空間,可以連續的在時間尺度上穿越,並讓機器人把黑洞內的所謂「量子數據」穿回地球好拯救人類。同時看到了曾經的一系列事件和對應的結果,悔不當初,於是給女兒留信號STAY,試圖讓自己留下來不要干這坑逼事情。那麼問題來了,如果庫伯成功地讓女兒說服過去的自己留下,那麼之後就沒有進入黑洞什麼事了又怎麼拯救人類呢?

第四個庫伯落入黑洞後最後又被扔了出來。黑洞理論上是有可能變成「白洞」把自己吃進去的東西再吐出去,但概率上幾乎不可能運氣這麼好剛被吃進去又被吐出來,而且庫伯的確也在黑洞內部呆了很久,從相對論的角度看太陽系早應該經歷至少至少千萬年的時間吧。如果說因為庫伯在五維時空可以自由選擇逃出黑洞的太陽系時間,那麼為什麼要選擇在120多年後而不是早點呢?

第五,影片中反覆提到老教授在思考廣義相對論的一個解,但由於廣義相對論和量子力學在奇點處的矛盾導致其還需要得到黑洞內部的量子數據。但整部影片看下來我也不清楚到底統一了量子力學和廣義相對論對拯救人類有什麼作用,影片最後人類其實也只是在太空建了一個超大型空間站,算是原飛船的放大版,因此其理論基礎仍然是基於飛船發射以前的,雖然建造難度大了很多。

另外,從庫伯在黑洞內部可以和過去交流來看,廣義相對論和量子力學理論在視界內部應該是失效的,影片也提及二者均無法回到過去(時間只能拉伸和壓縮),那把物理數據傳回去的話,又有什麼用呢?當然,或許通過傳回去的數據可以建立一個新理論,但這其中難度即使愛因斯坦這種大牛估計也得花上幾十年才能搞定,如此看來庫伯女兒的IQ設定簡直太過逆天了。

但不管怎麼樣,這部影片加上《太空奧德賽》和《超時空接觸》,個人認為均為科幻類的扛鼎之作。我覺得這是一部非常棒的作品,但談論是否「偉大」還為時尚早。從人文關懷思想境界上來說,《超時空接觸》還是更勝一籌,而論深度和震撼力仍然比不上幾十年前的《太空奧德賽》。當庫伯進入黑洞時我自然地想下面恐怕是要向《奧德賽》結尾致敬了吧,但並沒有出現《奧德賽》那麼華麗的視覺效果而是選擇了五維時空,同時加劇情把之前挖的坑填上,也算中規中矩不失水準。可能諾蘭也知道這種對整部影片起到升華作用的過程想要在視覺效果和內涵深度上超過《奧德賽》是不可能的,《奧》中黑石的神秘感和結尾的震撼即使在幾十年後的今天也是難以匹敵,據說當年很多嬉皮士是邊嗑藥邊看結尾的。不過諾蘭應該不會為拍不出這種段位而糾結,畢竟其導演是上帝座下之人——斯坦利 庫布里克。


星際穿越與基地(劇透)

Cooper-第一發言者

首先,Cooper的身份很巧妙,他是個農民。這個看似不重要的細節對應了《第二基地》中第一發言者普瑞姆·帕佛的身份。

基地系列中,普瑞姆·帕佛用一個偉大的計劃保住了第二基地,本片里Cooper也拯救了地球上的人。帕佛最重要的棋子就是艾嘉蒂婭·達瑞爾,那麼誰是Cooper的艾嘉蒂婭呢?

Murph-艾嘉蒂婭

沒錯,她對應的就是艾嘉蒂婭。鬼魂是她注意到的,坐標是她沒關窗找到的,她是偉大計劃的開始,最後真正拯救世界的是老爹,但所有信息都是通過Murph傳遞。《第二基地》里有這樣一段:「這種想法必須由那個小女孩——艾嘉蒂婭——提出來,而且除了她的父親之外,不會有其他人注意到這個情報。」巧合嗎?!

老教授Brand-謝頓

個人認為這位才是大boss,PlanA和PlanB可以看做第二基地、第一基地的建立。老教授真的是在欺騙世人,拿PlanA做幌子嗎?我認為他一直都在努力讓兩個計劃全部成功,並且尤為重視PlanA。注意那首詩:「不要溫和地走進那個良夜,白晝將盡,暮年仍應燃燒咆哮;怒斥吧,怒斥光的消逝。」沒有光的地方,他早就知道Cooper會落入黑洞!我甚至懷疑他知道穿過黑洞是什麼:謝頓說過,第二基地位於「群星的盡頭」,穿過黑暗之後回到原點,答案就在地球上!

Mann-騾

可以說Mann是拯救人類計劃的最大威脅。他是13位先驅中最優秀的一位,卻毫無犧牲精神,只想著自己能活著回去,為此他偽造數據,搶奪飛船。而騾同樣是孤身一人,擁有強大的控制力,欺騙身邊每一個人。當然,這二位都不得善終。

Tars-機·丹尼爾·奧利瓦

Tars對Cooper一路走來忠心耿耿,同生死共患難,關係堪比幽默版的阿福和韋恩少爺啊!這裡不得不提一個細節:Tars是很會察言觀色的,它甚至早就覺察到了Mann的小動作,因此Tars不可能不知道Cooper已經事先做好犧牲準備讓Amelia一人獨自完成PlanB。可是他為什麼會違反機器人第一定律坐視不管呢?因為這是人類得以生存的最後希望了,Tars領悟出了機器人學第零法則:

機器人不得傷害人類整體,或袖手旁觀坐視人類整體受到傷害。

脫離第一法則的影響,進而開始為整個人類的未來而服務,就像活了兩萬年的機·丹尼爾·奧利瓦一樣!


昨天去看了電影,有一種感覺,作為科幻片來說,有些不夠完美,作為親情片來說,有點戲份不足。剛看完後在自己微博也稍微寫了寫凌亂的東西,覺得電影有點過譽了,今天起床後整理回想下,還是不吐不快。

作為非相關理論專業出生的我,在這裡也就不賣弄一些疑點,比如靠近黑洞的行星在適居性是否可能優於靠近恆星的行星等等。

讓我們從最開始處談起。

大背景,全球農作物相繼出現類似枯死病的狀況,導致全球糧食短缺,氧氣含量下降。

1,科學背景上硬傷,目前地球的氧氣產生主體並不是農作物,也不是陸地植物,而是海洋藻類。我想在未來,這一點無法改變。這一點,就很嚴重的削弱了影片中的危機程度。
2,社會背景上的硬傷,假如出現了糧食短缺,那麼政府需要做什麼(片中的情形並未看出政府處於混亂狀態),最直接的:嚴格的農作物種植監管、農作物產品的嚴格控制、最大化利用農作物、進行一定程度的農作物配給制度;稍微長期點的:試圖解決出現的枯死病、替代農作物的發現與培育、人工食物合成研究;更加長遠的:人口數量的控制、從基因層面對生物(包括人類)的改造如增加可消化的食品範圍小型化等(劉慈欣的相關小說中有提及)。以上無論哪一種,都要優於直接尋找可供移居的行星,在技術難度上也遠遠低於大搬家。但是,影片中並未出現,人類可以輕鬆燒掉農作物、甚至還有疑似啤酒的農作物釀造品。那麼,同上一點,這也很嚴重的削弱了影片中所描述的危機嚴重程度。
3,危機政府管理,從影片中也可以了解到,尋找可供移居的行星,這種計劃是顯然在政府的支持主導下的。假如政府需要掩飾這一行為,為什麼實際看起來是真的在扼殺呢?只剩下老布蘭德這一個理論物理學家,「剩下的唯一一個有能力駕駛飛船的駕駛員」要靠他自己偶然、碰巧、奇蹟般的行為闖到秘密基地裡面去。這讓人覺得匪夷所思。

2、3兩點歸納下來,就是 政府行為的幼稚 VS 實際科學技術的發達,嚴重的不相稱。這三點加起來只是削弱了背景對於劇情的支撐作用,但並未從結構上毀掉劇情。

未來人類的幫助,在未來人類的幫助下,有了蟲洞,有了可供主角對過去進行影響的五維空間,甚至還可以把穿著航天服的宇航員從黑洞處直接定點傳送到無比遙遠的太陽系內空間站旁。

片中暗指,是未來的人類幫助了過去的自己。那麼,具有這樣強大科技能力的人,如何幫助處於糧食瀕臨匱乏(?)、環境不斷惡化中的地球?以我現在的智商來考慮,有很多種簡單易行的方式,即使是像片中說的那樣要引導他們發現那個關鍵的數據,直接暗示下那個數據也是OK的嘛;再退一步,地球嚴重到不搬不行了(反正片中看不出),那麼既然已經能夠嫻熟到在太陽系內生成一個穩定的長期存在不會影響太陽系的蟲洞了,那麼為啥不把出口定在一個可以讓人類輕鬆發現的宜居行星所在的星系呢,非得傳到一個黑洞旁邊。

無比強大的雙人(3人)卻只能近身觀測的海陸空天四棲飛船與脆弱的空間站

我覺得這不需要多說了

並沒解決問題的關鍵數據

從影片得知,這一個關鍵數據,其實關係到的就是人類是否能夠掌握引力。擴展開來,就是反重力技術、非離心式的重力產生;實際用途,高效、廉價的星際運輸。、
那麼問題又來了,這解決了影片中的大背景問題么?地球環境不可逆轉的惡化,通過移民其他星球,確實可以解決;那麼農作物枯死呢?依舊沒有解決,移民到新星球,我們還是得吃喝拉撒睡,吃的問題沒有解決,人類還是無法自我拯救啊。這裡,如果給影片洗地的話,可以提出個:1)小布蘭德所在的那個行星有新食物。作為無人星球存在可供種植的高效的農作物可能性太低;即使又,那麼直接開個蟲洞送到地球去不是更容易解決問題么?
2)植物枯死病是傳染性質的,有效隔離就可以避免。片中結尾空間站的存在似乎可以佐證這個論點,那麼作為已經掌握了可以讓一個人在小小的空間站生活23年技術的地球人,為什麼沒有在地球上建立隔離式的城市?這在技術上應該已經完全可以實現的。(封閉式生物圈)
3)人類在庫珀走後解決了農作物問題,那麼地球的問題也就解決了啊,還搬個什麼家,囧

剛剛去了以一次英雄模式的wc,思路斷了,就暫且寫這麼多吧,我沒有狂妄到去質疑那些物理上的場景與設定,僅僅從影片的基礎進行一些分析,從它的自身出發,去尋找矛盾的地方。很可惜,在影片試圖詳細的描述事情的時候,很多矛盾的地方就出現了,劇情講得再美也會讓人覺得太不真實,我覺著在處理(描述)未來OR不可知技術的時候,本片顯得技巧不足,這一點上我倒是很佩服《時間旅行者的妻子》。

然後還有一些私貨,也和影片稍微有點關聯的

宿命論,我最討厭的東西

影片中,未來的人類引導如今的人類(可以說是男主),發現了秘密研究基地、當上駕駛員、穿越蟲洞、探索位置行星、進入黑洞,並讓他進入五維空間,再對他過去的自己施加影響,使得過去的自己能夠發現秘密基地,能夠當上駕駛員,能夠穿過黑洞探索行星,能夠·······
發現沒有,這就跟莫比烏斯指環一樣,當你向前的時候,總會不自覺的回到過去,很多拿時間來做文章的作品,不少到進入了改變過去,使得未來自己有能力來改變過去這樣的一種死循環。(或許會有人拿平行宇宙的觀點來論證,那麼,你改變的只是與你不相關的另一宇宙,你本來悲劇的那條線,依舊向前發展,你實際上什麼都沒有做。你就這樣不斷的徒勞掙扎.)
這樣看來,一個結論就出來了,你所做的一切,都是註定要發生的,這一切都是命,為了打到未來的一個目標,你會這樣做,而且你一定會這樣做,你現在這樣做就是未來鎖決定的。
讓人無比悲傷的宿命論。

end


好像有個bug他們都沒有提及…就是飛船去土星旋轉是為了離心力提供重力模擬地球g…但是,到了土星附近時候,一個黑人說停止旋轉想看看蟲洞的樣子…此時,飛行器倉裡面竟然還是地球重力加速度…………………


果殼網看到的,作者不讓轉載:
《星際穿越》果殼科學人評(tǔ)論(cáo)音軌


昨天剛剛看完這部電影,很贊成第一個回答說的,看科幻片就要以看科幻片的心態去看,各種挑刺後也就很容易說這是一部爛片。
既要挑刺,我稍微說一個吧,在電影前面就說到,自從沙塵暴出現後就沒下過雨,為什麼地球上的人依舊能生存那麼多年?為什麼玉米也能生存那麼多年?這是本人比較好奇的。
and,不是說他們穿過蟲洞就脫離了太陽系了嗎?為什麼整個太空上的畫面看來都能看到有陽光照射的樣子?還是說那個星系裡也有個向太陽一樣的恆星(還是行星?)?
既然說起來了,就說說看完電影的感受吧。看完後一直很暈,主要是本人膚淺看不懂這部電影其實是想說些什麼,後來思慮許久,認為講的是愛這一個字,而不是什麼冒險精神啊blabla的。
如果有大神看到,望解答。


第一次接觸蟲洞的概念是初中看哆啦a夢《宇宙開拓史》的盜版漫畫,裡面哆啦a夢拿著一張紙畫上兩個點給大雄解釋任意門的原理。當時覺得很屌,馬上找張紙畫上兩個點,很神秘地問同學怎麼走最近,同學的答案自然是兩點一線。在我告訴他把紙折過來最近後,我發現他赫然一副看傻逼的表情。遂悻悻然不得志。
後來看了更多關於蟲洞啊,黑洞啊,時空旅行啊,甚至量子物理的科普書籍後,我以為這一類的終極科學幻想,其實本就不存在任何bug。
這些知識太過高深,高深到普通人一輩子也不需要知道。這些猜想也太過晦澀,晦澀到即使你把答案放在他們面前,他們也懶得翻開。在我年少時的那次裝b失敗後,我便以為:也許任意門的原理,那兩點之間最短的距離,只有我會去在乎,也只有我會因為理解它而感到興奮吧。
看完這部電影后,我的想法再次變了。原來世界上真的有人在乎這兩點之間的距離,在乎這些知識在普羅大眾中的傳播。年少的夢想我早已拋在腦後,我也早已不在乎這些知識對我的人生有何作用,但我知道,就算所有人不在乎,導演他一定在乎。這就是我看完全片後的感想,我感受到了導演的誠意。當電影中的主角穿越時空,回到那個小房間時,我的思緒彷彿也回到了那個多年前的下午。那時的我充滿激情與幻想,當我初次了解蟲洞後,那種迫不及待的想要和所有人分享的衝動。我多麼想也進入那個空間,給當時的自己一些或多或少的暗示啊(要爸媽轉行做地產,買蘋果的股票,砸鍋賣鐵去杭州資助一個叫馬雲的人)咳咳咳,腦洞開大了,應該是:「少年,記住你最初的夢想,在物理這條路上走到黑啊!!!」
好了,不矯情了,現在開始說人話。其實本片是一部以科幻為外殼的家庭倫理劇。講述的是一位恰逢中年危機的父親與一位女兒的故事。甭扯那些沒用的,全片就是在說女兒一輩子在等爹歸來,而爹卻一直在一個另外的世界陪伴著女兒的整個一生。本片的主題是愛,不是科學!科學只是導演為了自己的一些「情懷」而攜帶的一些乾貨而已。不要那麼嚴肅,認真你就輸了。


(本文含有部分劇透)

首先聲明這是一部絕對不可多得的好片,而且製片方背後有強大的物理和天文學的團隊支持,所以從科學的角度上說不會有什麼大的漏洞。去電影院看了兩次,確實發現有幾個科學上的小瑕疵。在高票的答案里,alienbat和胡曉已經回答的很好了,我先講一下他們沒有提到的部分,再提出自己的見解為導演洗地。但瑕不掩瑜,這絕對是近些年來硬科幻里的最上流之作。

1. Brand的年齡問題。

電影的最後,已經是老年的Murph躺在床上對剛剛旅行回來還在中年的Cooper說,你最好去陪伴在另一個星球上的Brand。然後Cooper和TARS偷了一輛宇宙飛船,駛向Brand所在的Edmunds星球。鏡頭切向已經成功著陸在Edmunds星球的Brand,她還看上去和當初一樣年輕。而事實上是,當Cooper和Brand在黑洞附近分開的那一刻起,他們就分別進入了不同的坐標系,擁有了不同的時間(參見Gravitational time dilation)。 Cooper被黑洞強大的引力吸引而導致時間大幅變慢,而Brand則脫離黑洞飛向了適合居住的Edmunds星球。所以Cooper的時間相對與Brand也應該是大幅變緩的。Cooper就在黑洞里呆了幾分鐘,回到土星的時候Murph已然是百歲老人,而此時的Brand雖然在另一個坐標系,但應該不會和Cooper與Brand在黑洞分別的時候看上去一樣年輕吧。

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為導演洗地:在電影的最後一幕換一個演員(比如使用一個大媽版的或者老年版的Brand),可能會讓理解能力不好的觀眾更難理解故事的劇情。畢竟電影的最後一幕換一個演員也太突兀了。況且Edmunds星球也是圍繞黑洞運行的(這也是我想要吐槽的點,參見第3條),雖然沒有Miller星球的1小時=7天那麼誇張,但由於黑洞巨大的引力,這裡的時間可能也是比地球緩慢的。如果這裡的1年=地球10年,那麼當地球上過去90年(Cooper大約離開了這麼長的時間),Edmunds也才過9年,如果Brand美女會保養會打扮再加上Edmunds氣候宜人四季如春,Brand應該看上去與當初黑洞分別時年齡差別不大。

2. TARS進入黑洞的奇點傳數據的問題。

電影情節設定為,由於相對論和量子力學的不一致性,導致Brand博士(Brand美女宇航員的父親)的一個方程解不出來。這個方程對人類社會的意義巨大,因為解出這個方程就意味著人類可以操控引力而擺脫地球移民太空。為了解出這個方程,需要一些黑洞奇點(Singularity)裡面的數據。而為了減輕飛船的重量,讓Brand能帶著生命的種子去最有希望的Edmunds星球,TARS和Cooper一起掉入黑洞。在掉入黑洞奇點之前,Cooper墜入了一個五維空間,而TARS則墜入奇點。TARS通過無線電通訊把奇點裡的數據傳給了Cooper,而Cooper通過操控引力把這些數據發給了Murph。而事實是,黑洞的奇點是時間和空間的一個斷點,擁有無限小的體積和無限大的空間曲率(參考Black hole and Gravitational singularity)當TARS已經掉入Singularity而開始採集數據,而Cooper還在Singularity附近的五維空間里設法和Murph交流的時候,Singularity裡面的數據應該是發不出來的。就算勉強能發出來,由於引力和相互移動(TARS已經進入奇點,而Cooper沒有進入奇點前應該是圍繞奇點高速旋轉的),TARS發出的無線電信號Cooper是收不到的,因為這些信號早就已經不是當初指定的頻率了。

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為導演洗地:其實整部電影都有一條無形的假設:通訊不受引力和時間膨脹的影響。要不然這部電影沒法繼續了。alienbat 的回答里也提到了這個現象。

順便提一下,奇點(Singularity)和事件視界(event horizon,參見 Event horizon)的概念是不一樣的。奇點是一個體積無限小、空間曲率無限大的點;而事件視界是在黑洞巨大的引力影響下,黑洞附近總有一部分空間里,物體的逃逸速度大於光速,使得任何物質和能量都不可能從這個區域內逃脫,從而外部永遠無法獲知這個區域里的情況。這就意味著,在奇點和事件視界之間是有一定的空間的。Cooper在徹底跌入奇點前停留的五維空間應該就是建在這個區域。由於這個區域在事件視界以內,外部不能得到任何信息,但是由於電影給定了「引力可以超越時間、空間和維度的存在」這個神一般的假定,使得Cooper可以通過在五維空間內操縱引力把黑洞奇點的數據傳給Murph。這一點也是整部電影情節最精彩的部分。而這個五維空間應該不是在奇點之內,按照情節的設定,跌入奇點後應該直接開始回到太陽系的旅行,這個黑洞的奇點就是回到土星附近蟲洞的入口。當Cooper的數據傳輸完畢,五維空間崩塌,Cooper繼續向奇點跌落,在進入奇點之後立即開始了另一段時空旅行(其實就是回到土星旁邊蟲洞的旅行),並且在回程的過程中見到了出發時的他們,並向當時的Brand打了個招呼。這也客觀地證明了這個五維空間是在奇點之外而事件視界之內的某個時空。

黑洞是某段時空旅行的入口,這個假設是完全合理的(見下圖,參見White hole)。如果說黑洞奇點就是回到土星附近蟲洞的入口,那TARS跌入奇點後應該立刻開始時空旅行,為什麼還能和五維空間里的Cooper交流呢?

這個答案倒是不難想像,因為越靠近singularity時間越慢,也許TARS只用了一微秒甚至一納秒採集並且發送數據(他是機器人啊),這個時候TARS應該還沒走遠,但是TARS的一微秒甚至一納秒,正好相當於在singularity之外的Cooper在設法用引力和女兒交流的時間。在Cooper回到土星附近被100多年以後的人發現時,他被告知TARS在幾天以前就被發現了,這就意味著TARS是先從蟲洞里出來的,「跌入黑洞奇點就立即開始回到土星的時空旅行」這一點也可以由此間接證明。

3. 黑洞附近的星球會是宜居星球?

雖然黑洞確實也可能有行星圍繞,但黑洞附近的行星也太不符合「宜居星球」的標準了吧。人類都已經接近滅亡了,在有限的時間和有限的資源的束縛下,怎麼會優先去黑洞附近找圍繞黑洞運行的宜居行星。根據現有的知識體系,這樣的行星應該是圍繞著某一顆(或者某幾顆吧,跟三體人一樣)主序星旋轉的。為了有液態水的存在,這顆行星的軌道應該坐落在一顆恆星的宜居帶(habitable zone)里(見下圖)。根據人類現有的知識體系,成為一顆宜居星球有諸多條件(參見Planetary habitability),雖然不排除在其他條件下也可能出現生命,但畢竟在時間和資源都有限的情況下,人類應該尋找最有可能support life的。圍繞黑洞的行星應該第一個就被排除了吧。

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為導演洗地:理論上說,只要一個星球具有合適的引力,合適的化學組成,和合適的能量來源,就可能會支持生命。雖然黑洞的行星這樣的假設離奇了一點,但並不表示不可能。同時,之後所有情節都圍繞黑洞展開,包括Miller星球上的時間變緩,TARS進入奇點收集數據,沒有黑洞就沒法繼續拍了啊。

當然,可能有一個合理的解釋,這個黑洞附近的區域本身就是連接土星的那個蟲洞的另一端,你從土星旁邊的蟲洞鑽進來的時候,時空旅程之後剛好在這個黑洞附近的區域鑽出來。而黑洞里的奇點剛好是返回土星附近旅途的入口。而由於黑洞強大的引力,附近好多光年以內都不存在能支持生命的恆星(要是存在的話,也許早就被這個大質量黑洞拉近並且吃掉了;而且就算沒有被吞噬,它的行星系統應該也會收到黑洞嚴重的擾動)。所以在時間空間都有限的情況下,人類只能探索這個黑洞附近的行星。

4. 在Cooper跌入黑洞時,為什麼他乘坐的航天器碎裂了,而Cooper自己和他的宇航服卻完好無損?

之前的黑叔叔也說了,這個黑洞是個gentle singularity,這就意味著當你速度足夠大時,你可以毫髮無損地穿過事件視界。那為什麼在人和飛船以相同速度向黑洞飛行時,飛船碎了,而人沒碎?

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為導演洗地:可能是由於飛船體積過於龐大,而導致飛船船頭和船尾受到的引力差別非常巨大,而將飛船撕裂了吧;而人由於體積較小,所有人接近黑洞的一端和遠離黑洞的一端受到的引力差別比較小,不足以將人撕裂吧。雖然這樣的假設離奇了一些,因為雖然飛船船頭和船尾受到的引力差更大,但是飛船更結實

5. Miller星球上真的會有巨大的潮汐嗎?

根據情節的設定,Miller星球由於離黑洞過近(還是那個老問題,這個星球有什麼好探測的啊),上面的時間流速緩慢;而由於黑洞巨大的引力導致的這個星球有巨大的潮汐,這樣的潮汐具有巨大的破壞力,所以最後Miller星被定為不宜居住的星球。但問題是,這樣的行星由於黑洞巨大的引力,估計早就被潮汐鎖定了(參見Tidal locking,這一點郝奕成也提到了)。這就意味著這個星球永遠是一面面對黑洞而另一面背對黑洞,星球上的水會被黑洞吸成橢圓形,考慮到水的表面張力,最靠近黑洞和最遠離黑洞的兩端將一直具有最高水位,而與黑洞垂直的兩端將一直具有最低水位,並且一直處在這種狀態。這樣的話,這個星球上水文的分布相對與星球表面來說將一直是固定的,不會存在潮汐現象。況且就算真的存在潮汐,這些人應該早就預料掉,離黑洞這麼近的行星,如果有水,要麼早就被黑洞吸幹了,要麼潮汐也應該無比巨大吧。這個星球就應該第一個從宜居星球的list里被劃掉。

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為導演洗地:僅僅從科學上說,這樣的一個星球也有可能沒有被潮汐鎖定。潮汐鎖定是需要一定的時間的。也許這些人到來就是在潮汐鎖定之前呢。

最後,我想說諾蘭的電影一向是以邏輯擅長的。所謂邏輯,就是整部電影都遵循幾個基本的假定(不管這些假定是否真的十分科學),所有情節都基於這些假定而發展。比如著名的盜夢空間就是基於一系列「不符合科學」的假定(參見 Inception 情節邏輯完全解析 (盜夢空間 影評)),比如一共有六層夢境世界啊,要服用藥物才能進入第X層夢境啊,在夢境里被殺死會進入limbo啊....但是之後所有的情節都是嚴格按照這樣的邏輯展開。我想說的是這部interstellar也是一樣的,它也有它自己的假定,只是這樣假定更加接近科學而已。但如果基於「引力可以超越時間空間的維度而存在(解決了Cooper向Murph傳數據的問題)」,「通訊不受引力和時間膨脹的干擾(解決了通訊的問題)」,「黑洞事件視界里,一切現有的物理定律不適用,一切都可能發生(解決了TARS如何向Cooper發送數據的問題)」,「五維空間內的時間是非線性的,你可以看到過去和未來,但不能改變過去」等一系列的假定,這部電影的所有邏輯都無懈可擊。這也是我認為電影是為數不多的最上流的硬科幻的原因。


1 黑洞吸積盤應該是高熱,影片中基本當作「雲」來處理。
2 註:忘記電影中是說牛頓運動定律,還是特別說了牛頓第三定律了!一下討論基於我的記憶,影片特別提到牛三。

牛頓第三定律……男主意思根據牛頓第三定律,你要加速前進,得把質量向後拋開,類似多級火箭,一節一節拋……這完全是誤讀吧。多級火箭拋掉「死重」和牛頓第三定律關係不是很大。同速運動的物體分離對速度和加速度沒啥影響。

關於評論中的觀點,做如下補充:
牛二和牛三用公式表述大致如下
牛二:F=ma
牛三:F1=F2
如果根據牛三解釋扔掉小飛船,那麼小飛船必須對大飛船有一個力,但是實質上共速運動物體分離時,兩者應該同速。所以我覺得影片中的行為可以解釋為牛二,
F1=(m+M)a1
這時候加速度a1由推進器1產生的F1提供
然後分離推進器1所在的小飛船,點燃之後的推進器
F2=M a2
這樣拋棄了m可以獲得M更大的加速度

以上

3 飛行器和主角沒被黑洞的引力差撕裂。
4 黑洞的視界內科學與否就不說了吧……沒準真黑洞就那樣呢……

後話:電影倒是解決了黑洞摧毀信息的問題……


星際穿越在地球上種不出糧食了,為什麼在空間站中能種出糧食?!


此片最大的BUG在於,人類其實壓根沒必要出去尋找宜居星球。

宜居星球或能孕育出高級生命的星球(不管是不是地球這樣的碳基生命)需要的條件非常苛刻。事實上地球本身也不是宜居星球,定型後的地球是一個沒有氧氣的充滿二氧化碳的星球,是因為奇蹟般的產生出了大量真核厭氧生物(古細菌),呼吸二氧化碳,排出廢氣氧氣,把地球「污染」成了充斥21%氧氣的「不宜居星球」(對古細菌來說),之後才有我們這樣的喜氧生物的誕生。原則上來說,厭氧生物也是可以進化出高級智慧生命的,但這與此話題無關不提。

地球是宇宙中的奇葩,地球孕育生命的苛刻條件包括且不限於:由足夠多次的超新星爆炸塵埃構成(所以地球上化學元素基本齊全化學物理性質多樣才會形成生命),合適的能量來源(合適的恆星距離和自轉公轉速度),合適和引力(包括合適的行星大小,不太大的潮汐影響以及合適的地心磁場)和平靜的宇宙環境(周圍不再有頻繁的超新星爆炸,沒有黑洞等殺手星體)。在宇宙中能找到符合地球人類宜居條件的星球可能性極小,所以即使找到了,也會非常遙遠,要想旅行到那裡移民,需要人類有掌握操縱巨大能量的能力,人類可能需要達到或接近II型文明的水平(卡爾達肖夫指數),而人類現在或者可預見的幾百年內,是連I型文明水平都無法達到。然而現在人類的科技水平完全可以建造適宜人類居住的太空艙和建築


也就是說電影中的人類完全可以在地球上興建大批與外界隔絕密封的建築物或大型艙體,利用能源(聚變能或最次用太陽能)來產生氧氣和潔凈水來維持艙體內部宜居環境,在裡面種植高產的轉基因植物或人工合成蛋白,技術上完全沒有問題和瓶頸,只需要巨大的產能製造艙體而已(找中國啊),其技術瓶頸和花費,遠低於星際移民,更別提那些移民到所謂宜居星球的人,也還是需要改造那個星球,或者在那個星球上建造艙體的。既然跑那麼老遠造艙體,何不就留在地球上改造地球,在地球上建艙體呢。

地球上沒有氧氣了?那肯定有二氧化碳,以及其他氧化物,利用能源(比如星際旅行用的能源以及聚變能)就可以轉化回來,沒有乾淨水?那肯定有髒水海水,利用能源就可以凈化成乾淨淡水。人居住的艙體里基本都是資源循環利用的,且空間比地球大氣要小太,人類要出門,穿太空服,乘密封的交通工具好了。如果產能夠大,造的艙體夠大,連出門都沒什麼必要了,出門也就是登個山看個風景罷了。連幾光年幾十光年之外的星球都去得,造地球上的太空艙一點問題都沒。


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